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        基于柔性渦流探頭的托卡馬克內(nèi)部線圈導(dǎo)體偏心渦流檢測(cè)

        2014-01-11 07:08:08趙宏達(dá)陳振茂劉小川
        無損檢測(cè) 2014年11期
        關(guān)鍵詞:環(huán)向渦流偏心

        趙宏達(dá),李 勇,陳振茂,劉小川,武 玉

        (1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049;2.中國(guó)科學(xué)院 合肥等離子體物理研究所,合肥 230031)

        內(nèi)部線圈是托卡馬克裝置真空室內(nèi)部的重要組成部分,具有多層套管導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其外管為Inconel合金鋼或奧氏體不銹鋼,內(nèi)管為導(dǎo)電銅管,中間層是壓實(shí)的起絕緣作用的氧化鎂顆粒[1]。在內(nèi)部線圈的工作狀態(tài)下,銅管內(nèi)通有冷水起導(dǎo)電作用,外部鋼管作為鎧甲層來支撐保護(hù)銅管,而二者間的氧化鎂陶瓷層具有的絕緣性能使得二者處于隔離狀態(tài)[2]。銅管偏心容易出現(xiàn)在內(nèi)部線圈的加工過程中,可能會(huì)使得氧化鎂層厚度變得不均勻而降低其絕緣效果,甚至導(dǎo)致短路等嚴(yán)重后果。因此,通過有效的無損檢測(cè)方法來判斷偏心程度是否合乎安全要求,顯得至關(guān)重要。

        渦流檢測(cè)以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ),具有檢測(cè)靈敏度高、無需直接接觸、檢測(cè)速度快以及容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),適用于對(duì)導(dǎo)體材料的缺陷檢測(cè)[3-4]。在之前的研究中,課題組已提出了基于絕對(duì)餅式探頭的偏心缺陷渦流檢測(cè)方法[5]。在實(shí)際檢測(cè)中,剛性餅式探頭在套管外部放置時(shí),提離和平行度不易控制,可能引起實(shí)驗(yàn)誤差。為提高檢測(cè)精度,筆者提出了基于柔性渦流探頭的偏心缺陷渦流檢測(cè)方法,采用退化磁矢位(Ar)法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以初步驗(yàn)證其可行性,并通過手工繞制柔性探頭進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),對(duì)不同探頭結(jié)構(gòu)及放置方式的柔性探頭的檢測(cè)效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

        1 有限元數(shù)值計(jì)算

        1.1 數(shù)值計(jì)算方法

        退化磁矢位(Ar)法是一種計(jì)算渦流場(chǎng)和渦流檢測(cè)信號(hào)的有限元方法,具有良好的計(jì)算精度[6]。由于在Ar法中僅依賴電流源場(chǎng)的磁矢位和僅依賴渦流源場(chǎng)的磁矢位是獨(dú)立考慮的,在實(shí)際計(jì)算中無需對(duì)探頭進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,方便了檢測(cè)信號(hào)的計(jì)算。采用Ar法,對(duì)9kHz激勵(lì)頻率下不同偏心距離(0,0.5,1,1.5,2.0,2.5mm)的檢出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,并提取信號(hào)的實(shí)部分量進(jìn)行分析。內(nèi)部線圈具體參數(shù)如表1 所示[7]。內(nèi)部線圈導(dǎo)體示意如圖1,數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示,檢測(cè)探頭為絕對(duì)式柔性探頭,沿偏心方向放置。

        表1 內(nèi)部線圈導(dǎo)體參數(shù)

        1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

        提取計(jì)算所得渦流信號(hào)實(shí)部分量,將偏心時(shí)信號(hào)與不偏心時(shí)的檢測(cè)信號(hào)作差值并作圖,如圖3所示,分析偏心距離與差分電阻之間的關(guān)系。由圖3可知,當(dāng)偏心距離逐漸增大時(shí),差分電阻呈現(xiàn)出近似線性遞減的趨勢(shì)。因此,基于柔性探頭的偏心缺陷渦流檢測(cè)具有一定的可行性,且由于其在探頭放置時(shí)與外管表面良好的貼合度,相較于絕對(duì)餅式探頭會(huì)降低提離變化所帶來的誤差,具有更好的檢測(cè)精度。

        圖3 9kHz激勵(lì)頻率下的數(shù)值計(jì)算出的偏心距離-差分電阻關(guān)系曲線

        2 偏心檢測(cè)試驗(yàn)

        2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

        手工繞制兩個(gè)同樣大小的柔性探頭,如圖4所示,其外徑×內(nèi)徑×厚度為40 mm× 10 mm×1mm,匝數(shù)為170匝。使用Ectane渦流檢測(cè)設(shè)備搭建試驗(yàn)系統(tǒng),如圖5所示。試驗(yàn)時(shí),內(nèi)部銅管保持不動(dòng),不銹鋼外管固定在具有刻度的夾具上,通過改變夾具上下位置來模擬套管的不同偏心距離,分析此時(shí)的信號(hào)變化。

        圖4 柔性探頭外觀

        圖5 Ectane陣列渦流檢測(cè)系統(tǒng)

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果

        實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)中使用兩個(gè)柔性探頭,考慮了三種不同的探頭結(jié)構(gòu):?jiǎn)渭?lì),雙檢出;分別自激自檢,然后做差分;一個(gè)激勵(lì),另一個(gè)檢出。此外,在使用前兩種探頭結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí),還通過改變激勵(lì)和檢出探頭的相對(duì)位置對(duì)比了檢出效果。

        2.2.1 單激勵(lì)雙檢出

        實(shí)際試驗(yàn)操作中,一個(gè)探頭放在上部進(jìn)行激勵(lì),另一個(gè)探頭分別沿其軸向(如圖6 所示),環(huán)向90度,以及環(huán)向180度放置,兩個(gè)探頭同時(shí)進(jìn)行檢出,并對(duì)檢出信號(hào)進(jìn)行差分。

        圖6 單激勵(lì)雙檢出時(shí)的探頭放置示意

        讀取渦流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如圖7所示。可以看出,兩個(gè)探頭均沿軸向放置時(shí)檢出效果最差,上激勵(lì)、上下檢出狀態(tài)下檢出效果最好。

        圖7 10kHz激勵(lì)頻率下的單激勵(lì)雙檢出的偏心距離-差分實(shí)部信號(hào)關(guān)系曲線

        2.2.2 自激自檢

        將兩個(gè)探頭沿偏心方向上下對(duì)稱放置,如圖8所示,各自自行激勵(lì)和檢出,并且同時(shí)輸出兩個(gè)探頭檢出信號(hào)的差分信號(hào)。

        圖8 自激自檢時(shí)的探頭放置示意

        檢出結(jié)果如圖9所示,可看出三個(gè)信號(hào)均可以有效地識(shí)別出偏心,差分信號(hào)幅值最大,對(duì)偏心缺陷更加靈敏。

        圖9 10kHz激勵(lì)頻率下的自激自檢的檢測(cè)結(jié)果

        2.2.3 單激勵(lì)單檢出

        使用一個(gè)探頭進(jìn)行激勵(lì),另外一個(gè)進(jìn)行檢出,這是傳統(tǒng)的T-R 探頭形式,同3.2.1探頭布置方式一樣,也考慮了三種情況。實(shí)際檢出中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏心距離變化時(shí),只有沿環(huán)向90度方向放置檢出探頭時(shí)(圖10)信號(hào)才有明顯變化,檢測(cè)信號(hào)如圖11所示。可看出,當(dāng)偏心距離逐漸變化時(shí),信號(hào)實(shí)部呈階梯狀變化,與以上兩種探頭結(jié)構(gòu)相比,檢出信號(hào)信噪比明顯較差,且幅值較小。

        圖10 單激勵(lì)單檢出時(shí)的探頭放置示意

        圖11 10kHz激勵(lì)頻率下的單激勵(lì)單檢出的檢測(cè)結(jié)果

        3 結(jié)語

        基于Ar法對(duì)使用柔性探頭的套管偏心缺陷渦流檢測(cè)方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,以初步驗(yàn)證其可行性。然后手工繞制探頭,搭建試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)模擬套管偏心系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際檢出試驗(yàn)。對(duì)不同探頭結(jié)構(gòu)及放置方式下的檢出效果進(jìn)行了對(duì)比,探究最優(yōu)探頭配置方式。試驗(yàn)表明,上激勵(lì)、上下共同檢出作差分,上激勵(lì)、環(huán)向90度檢出以及上下分別自行激勵(lì)檢出并作差分的方式均可以有效地檢測(cè)出偏心。其中上激勵(lì)、環(huán)向90度探頭配置方式信噪比較差,實(shí)際檢出試驗(yàn)時(shí)采用其他兩種探頭配置方式檢出效果較好。

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        [5]趙宏達(dá),蔡文路,李勇,等,托卡馬克內(nèi)部線圈套管導(dǎo)體偏心缺陷無損檢測(cè)方法研究[J].無損檢測(cè),2013,32(10):63-66.

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